Балансировка суперконденсаторов (ионисторов)

Ячейка суперконденсатора рассчитана примерно на 2,7 В, и для 5 В их ставят последовательно. Но ёмкости и утечки ячеек различаются, и напряжение делится между ними неравно: одна ячейка может оказаться выше номинала. Балансировка выравнивает напряжения. Разбираем причины разбаланса и четыре схемы по записке Abracon.

Обновлено 29 октября 2026 г.Редакция GAW

Содержание

Откуда разбаланс
Схемы балансировки
Зачем это нужно

Балансировка суперконденсаторов (ионисторов) — выравнивание напряжений ячеек, соединённых последовательно, чтобы ни одна из них не превысила номинальное напряжение. Номинал ячейки, как пишет Abracon, обычно около 2,7 В, поэтому для напряжений 5 В и выше ячейки соединяют последовательно, и без балансировки напряжение делится между ними неравно.

Откуда разбаланс

Abracon выделяет три причины, каждая из которых преобладает в своей фазе работы:

Заряд — разброс ёмкости. Последовательные ячейки получают одинаковый заряд Q, а напряжение на каждой U = Q/C: ячейка с меньшей ёмкостью заряжается выше. Допуск ёмкости суперконденсаторов −10/+30 % или ±20 %, так что ячейки могут различаться до ±40 %.
Покой — разброс тока утечки. Ячейка с большей утечкой медленно разряжается, а её соседка дозаряжается выше номинала.
Разряд — разброс ESR. Падение на внутреннем сопротивлении пропорционально току; при заряде этот вклад со временем исчезает.

Пример: две ячейки номиналом 10 Ф ±20 % на 2,7 В, фактически 8 и 12 Ф, заряжают последовательно до 5,4 В. Напряжения делятся обратно ёмкостям: на ячейке 8 Ф будет 5,4 · 12/20 ≈ 3,24 В — на 20 % выше номинала.

Схемы балансировки

Схема	Как работает	Свойства
Резисторы	делитель параллельно ячейкам задаёт среднюю точку	просто; медленно; постоянный расход
Стабилитроны	открываются при превышении VZ	быстрее; VZ не выше номинала, допуск до ±10 %
MOSFET	затвор на стоке, открывается выше порога	автоматически; пороги транзисторов должны совпадать
ОУ	повторитель держит среднюю точку по делителю	быстро; больше потерь и деталей

Для резисторного варианта Abracon советует как отправную точку, чтобы сопротивление нагрузки — самих ячеек — было хотя бы в 10 раз больше балансирующего резистора, и показывает компромисс: при резисторах на 40 % меньше постоянная времени выравнивания на 40 % короче, но потери в резисторах в 1,67 раза больше.

Зачем это нужно

Перезаряд разрушает диэлектрик и электролит ячейки. Abracon подчёркивает и обратную сторону: при глубоком разряде разбалансированной сборки нагрузка может перевернуть полярность одной ячейки. Держать ячейки ниже номинала — это и есть снижение рабочего напряжения, которое продлевает ресурс. Подробнее о типах конденсаторов — в статье о конденсаторах.

Частые вопросы

Почему два суперконденсатора по 2,7 В нельзя просто включить последовательно на 5,4 В?

Потому что напряжение разделится между ними неравно. При заряде последовательная цепь получает одинаковый заряд, и ячейка с меньшей ёмкостью зарядится до большего напряжения. При допуске ±20 % ёмкости ячеек могут отличаться почти в полтора раза, и одна из них превысит 2,7 В. В покое разница токов утечки продолжает сдвигать напряжения.

Как подобрать балансирующие резисторы?

Abracon предлагает отправную точку: сопротивление нагрузки, то есть самих ячеек, должно быть хотя бы в 10 раз больше балансирующего резистора, тогда резисторы задают деление напряжения. Меньшие резисторы выравнивают быстрее, но постоянно разряжают сборку. Если уменьшить резисторы на 40 %, постоянная времени выравнивания станет на 40 % короче, а ток через резисторы и потери в них вырастут в 1/(1 − 0,4) ≈ 1,67 раза.

Когда нужна активная балансировка?

Когда сборка часто заряжается и разряжается, а резисторы выравнивают слишком медленно, или когда важен ток покоя. Abracon сравнивает варианты: стабилитроны быстрее делителя и экономнее в покое, MOSFET с затвором на стоке включаются только выше порога, схема на ОУ самая быстрая, но потребляет больше и требует больше деталей. Есть и готовые контроллеры: TI BQ33100 балансирует от двух до пяти ячеек и заодно следит за их ёмкостью, ESR и утечкой.

Источники

Abracon. Supercapacitors Balancing Basics and Techniques, Application Note, October 2025 — введение: номинальное напряжение ячейки суперконденсатора обычно около 2,7 В, поэтому их соединяют последовательно, а для ёмкости — параллельными цепочками; зачем: перезаряд ячейки повреждает диэлектрик и электролит, балансировка держит ячейки ниже номинала (снижение напряжения) и продлевает ресурс; при разряде разбалансированной сборки нагрузка может перевернуть полярность ячейки; причины: при заряде — разброс ёмкости (допуск −10/+30 % или ±20 %, ячейки могут различаться до ±40 %), в покое — разброс сопротивления изоляции и тока утечки, при разряде — разброс ESR; методы: 1) резистивный делитель, сопротивление ячейки в 10 раз больше резистора как отправная точка; меньшие резисторы быстрее выравнивают, но больше потребляют: на 40 % меньшие резисторы дают на 40 % более быструю балансировку при снижении КПД в 100 %/(100 % − 40 %); 2) стабилитроны с последовательным резистором: VZ не выше номинала ячейки, допуск VZ до ±10 %, быстрее делителя, в покое экономнее; 3) MOSFET с затвором на стоке параллельно ячейке, открывается при напряжении выше порога, пороги всех транзисторов одинаковы и не выше номинала ячейки; 4) повторитель на ОУ, задающий среднюю точку по делителю, — быстро, но больше потерь и деталей
Texas Instruments. BQ33100 Super Capacitor Manager, SLUS987C (January 2011, revised December 2019) — Features и разд. 3: однокристальный контроллер для 2–5 последовательных суперконденсаторов с контролем и балансировкой каждой ячейки (до 9 ячеек — только по общему напряжению); активная балансировка напряжений предотвращает перенапряжение ячейки при заряде; контроль ёмкости, ESR, утечки, защита от перенапряжения, КЗ и перегрева; разд. 7.10: выходы управления внешними балансирующими цепями

Нашли ошибку?